郭筱晨，劉緣勤，楊韻琳，胡艷，張甫生，陳厚榮

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)

可食用薄膜是利用可食性物質(zhì),輔以可食性添加劑，由分子內(nèi)和分子間作用力形成的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的可降解薄膜。目前的食品行業(yè)包裝仍大多數(shù)使用石油基類薄膜，但這類薄膜具有污染危害大和難以降解等環(huán)境問題。反觀可食用薄膜則可以通過人體的消化系統(tǒng)進(jìn)行分解吸收，能夠避免降解石油基膜產(chǎn)生的環(huán)境危害[1]。將可食用薄膜涂至新鮮水果表面能夠顯著提高水果的品質(zhì)并延長貨架期[2-3]，包裝在肉類表面可以控制其貯藏期間的抗氧化活性[4]和微生物數(shù)量[5]等。當(dāng)今的食品領(lǐng)域研究中，向復(fù)合膜內(nèi)添加某類小分子物質(zhì)，提升其綜合性能也是一大嘗試。有研究向明膠/聚乙烯醇淀粉復(fù)合膜中加入花青素，利用pH變化來檢測食品的新鮮度[6]；而在殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜中添加茶多酚，可以提高其抗氧化性能，保證食品質(zhì)量[7]。

復(fù)合膜的改性處理也是當(dāng)下復(fù)合膜在食品包裝和保鮮方面的創(chuàng)新熱點(diǎn)。有研究利用超聲波、微波及其協(xié)同改性制備大豆分離蛋白/殼聚糖/黑木耳多糖復(fù)合膜時，發(fā)現(xiàn)超聲波作用能夠增強(qiáng)目標(biāo)分子間的質(zhì)量傳遞和相互作用力，而微波作用能夠增強(qiáng)分子間交聯(lián)作用，所以利用超聲波微波協(xié)同可以顯著增強(qiáng)復(fù)合膜的機(jī)械和阻隔等貯藏性能[8]。ZHANG等[9]研究利用超聲靜電紡絲法制備聚乳酸/氧化鋅抗菌纖維復(fù)合膜時，通過控制改性時間縮小復(fù)合膜的纖維直徑并獲得其最佳形態(tài)，從而提升復(fù)合膜的熱、紫外光屏障與抗菌性能。

高靜壓(high hydrostatic pressure，HHP)技術(shù)是一種非熱巴氏殺菌方法，可以最大限度地減少食品的不良變化，并控制微生物生長和不良酶的活性。HHP技術(shù)可以加強(qiáng)膜內(nèi)分子間的化學(xué)鍵作用，從而穩(wěn)定其性能[10-11]。由于可食用的薄膜的原材料會隨著時間變化發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，如氧化、降解和相互作用等，導(dǎo)致復(fù)合膜的性能下降，將HHP應(yīng)用于改善膜的貯藏性能具有可行性。目前對HHP改性膜的研究仍集中于處理前后性能的改變，根據(jù)MOLINARO等[12]和GON?ALVES等[13]的研究結(jié)果，在300 MPa的環(huán)境下處理10 min可以更大限度地改良膜的機(jī)械性能和阻隔性能[12-13]。已有研究對聚乳酸/納米銀復(fù)合膜進(jìn)行處理時發(fā)現(xiàn)HHP可以使復(fù)合膜形成更加致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度等機(jī)械性能和阻隔性能，并降低銀在復(fù)合膜中的遷移量[10]，但仍未涉及到對膜貯藏性能的研究。同時，目前國內(nèi)外對富含風(fēng)味物質(zhì)膜的貯藏性能的研究更是不多見，因此對于復(fù)合膜改性后貯藏性的變化尚待研究。本實(shí)驗利用魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)/大豆分離蛋白(soybean protein isolate,SPI)為成膜基質(zhì)，加入辣椒素(capsaicin,CAP)為風(fēng)味小分子物質(zhì)，利用HHP技術(shù)，制成辣味復(fù)合膜，探究貯藏時間對HHP技術(shù)處理的辣味復(fù)合膜的機(jī)械性能和阻隔性能及風(fēng)味變化的影響，為可食用復(fù)合膜的應(yīng)用提供后續(xù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食品級KGM，浙江上方生物科技有限公司；食品級SPI，北京索萊寶科技有限公司；CAP，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；純水(實(shí)驗室自制)；無水乙醇，重慶川東化工(集團(tuán))有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HHP600MPa/3-5L超高壓食品處理試驗設(shè)備，包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司；GL88B旋渦混合器，海門市其林貝爾儀器有限公司；DHG-9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市玉華儀器有限責(zé)任公司；7327手持測厚儀，日本 MITUTOYO三豐公司；XCW-500數(shù)顯推拉力計測試機(jī)，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；SZ-CAMB3接觸角測定儀，上海軒準(zhǔn)儀器有限公司；W3/060水蒸氣透過率測試系統(tǒng)，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；C230氧氣透過率測試系統(tǒng)，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司。

1.3 實(shí)驗方法

1.3.1 KGM/SPI/CAP復(fù)合膜的制備和HHP處理

控制膜液的 KGM/SPI 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%，KGM/SPI質(zhì)量比為12∶8，稱取以上配比的KGM、SPI，攪拌加入到160 mL 純水的燒杯中，將0.03%CAP(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶解于500 μL 無水乙醇中，于旋渦振蕩儀中充分溶解，再加入到 KGM/SPI 膜液中，置于40 ℃恒溫水浴鍋中攪拌1 h，冷卻至室溫，真空除去膜液中的氣泡。

將復(fù)合膜液按 300.0 g/袋裝入高溫蒸煮袋后真空密封，密封袋全部浸沒于超高壓設(shè)備的介質(zhì)水中，控制保壓時間10 min，壓力300 MPa。稱取(45.0±0.1) g的 HHP 處理后的膜液倒入大小為13 cm×13 cm×1 cm(長×寬×高)的塑料培養(yǎng)皿中，于 38 ℃ 烘箱中干燥15 h 成膜，烘干。

1.3.2 辣椒素的游離率

稱取0.05 g復(fù)合膜樣品置于5 mL 無水乙醇中浸泡，旋渦振搖1 min 使復(fù)合膜表面的辣椒素與乙醇更好地接觸，浸泡1 h后取1.0 mL上層清液，進(jìn)行高效液相色譜分析，譜柱條件為：Zorbax SB-C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)；流動相∶乙腈-水(體積比65∶35)；進(jìn)樣量10 μL；流速1 mL/min；紫外檢測波長280 nm；色譜柱溫30 ℃。

1.3.3 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率測定

測量復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度(tensile strength,TS)斷裂伸長率(elongation at break,E)時，選擇厚度均勻的復(fù)合膜，將其剪成長×寬(100 mm×10 mm)長條狀后，用智能電子拉力試驗機(jī)做拉伸測定，直至復(fù)合膜拉斷，記錄拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率[14]，設(shè)置有效拉伸長度50 mm，拉伸速度25 mm/min，測試條件25 ℃、相對濕度55%～65%。

1.3.4 水接觸角和吸濕率的測定

測量水接觸角，使用SZ-CAMB3 表面分析儀器，將復(fù)合膜裁成100 mm×10 mm 的長條狀，通過軟件程序自動控制測定接觸角大小[15]。相關(guān)參數(shù)為：液滴體積1.0 μL，升降行程2 mm，升降速度5 mm/s，加液速度5 mm/s，進(jìn)樣器容量50 μL。

測定吸濕率，將復(fù)合膜剪裁成 30 mm×30 mm 正方形置于50 ℃環(huán)境中烘干至恒重，稱其質(zhì)量作為干膜質(zhì)量m1，然后在高濕度環(huán)境(密閉玻璃容器中放入 3 杯裝有80 mL 純水的燒杯，平衡濕度24 h)的密閉容器中放置24 h，稱其質(zhì)量作為濕膜重量m2[16]。

吸濕率計算如公式(1)所示：

(1)

1.3.5 透濕系數(shù)和透氧系數(shù)的測定

測定透濕系數(shù)，將復(fù)合膜裁成直徑為 10 cm 正圓形，在樣品四周取4個點(diǎn)，中心取一個點(diǎn)，測定薄膜的厚度，取5個點(diǎn)的平均值為樣品厚度。在裝有10 mL 蒸餾水的滲透杯上覆蓋樣品薄膜。試驗杯置于干燥器箱內(nèi)，采用透濕杯減重法，測試膜的水蒸氣透濕系數(shù)[17]。測試溫度為25 ℃，相對濕度為70%，測試間隔20 min，循環(huán)次數(shù)8次。

測定透氧系數(shù)，將樣品膜放置于儀器中，緊密貼合，采用氧氣透過率測試系統(tǒng)對復(fù)合膜的透氧系數(shù)進(jìn)行測定[18]。試樣面積50 cm2，測試溫度23 ℃，測試濕度50%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗中所有實(shí)驗均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差的形式表示，采用 SPSS 17.0 軟件與 Design-Expert.V11 對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，采用 Duncan 氏法進(jìn)行顯著性分析(P<0.05認(rèn)為差異顯著)，并采用 Origin 8.0 軟件對圖進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 KGM/SPI/CAP復(fù)合膜貯藏的游離CAP含量分析

將CAP添加至KGM/SPI復(fù)合膜中，可以改善復(fù)合膜的風(fēng)味，使復(fù)合膜包裹有辣味物質(zhì)從而減少食品辣味分子的流失，這也能夠使復(fù)合膜更好使用于風(fēng)味食物包裝領(lǐng)域[19-20]。對照組在0～120 d內(nèi)游離的CAP含量隨著時間的延長緩慢增加，0～120 d內(nèi)，游離CAP含量提高了8.7%。其中，在0～30 d內(nèi)，游離CAP增幅達(dá)28%，在30～60 d內(nèi)仍保持該速度增長，增幅19.8%；60～120 d內(nèi)游離CAP含量高速增長，增幅高達(dá)39.1%。結(jié)合類似研究結(jié)果推測，這是因為在120 d內(nèi)，復(fù)合膜內(nèi)部的分子相互作用力不斷衰弱，導(dǎo)致CAP的結(jié)合牢固性減弱，更易脫落釋放，并且這種釋放伴隨時間的推移有加劇的趨勢[21]。

HHP組的游離CAP含量呈現(xiàn)階段性變化。在0～30 d內(nèi)幾乎無變動，數(shù)值穩(wěn)定波動微小；30～60 d內(nèi)有37.1%的增幅，變化幅度是對照組1.9倍；在60～120 d內(nèi)游離CAP含量也隨時間延長呈較快增長趨勢，在120 d時增幅變化量達(dá)到36%，是對照組的0.92倍。類似研究表明，造成這種變化的原因可能是在前期HHP處理使得KGM/SPI結(jié)構(gòu)結(jié)合CAP的能力提高，由于HHP處理有助于鞏固、穩(wěn)定多糖-蛋白體系結(jié)合小分子，KGM和SPI分子排列整齊，CAP分子在膜內(nèi)的遷移和擴(kuò)散受到限制[22]。而最終HHP組CAP含量升高是因為KGM與SPI自身的降解變化導(dǎo)致其分子的排列性遭到一定程度的損壞，部分CAP分子從KGM和SPI分子形成的網(wǎng)絡(luò)中游離至膜表面。但經(jīng)HHP技術(shù)改性的復(fù)合膜游離CAP變化結(jié)果仍然顯著優(yōu)于對照組。有學(xué)者也發(fā)現(xiàn)300 MPa 高壓處理后活性物質(zhì)2，6-二叔丁基對甲酚的遷移量低于未HHP處理的材料，這可能是因為高壓處理可以使微型粒子與聚合物基體之間發(fā)生強(qiáng)烈相互作用從而降低了鏈的遷移率，最終減少了小分子遷移量[23]。

圖1 復(fù)合膜游離CAP含量隨貯藏時間/的變化Fig.1 Effect of free CAP content in KGM/SPI/CAP composite film surface during storage注:大寫字母表示相同貯藏時間下對照組與HHP組的差異顯著(P<0.05),小寫字母表示同一處理條件下不同貯藏時間的差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 KGM/SPI/CAP復(fù)合膜貯藏的機(jī)械性能分析

復(fù)合膜的機(jī)械性能直接決定其能否對食品提供完整的物理保護(hù)，這也是評價包裝材料物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，這一性質(zhì)可通過測量復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率進(jìn)行衡量[24]。如圖2和圖3所示，對照組中，0～120 d內(nèi)拉伸強(qiáng)度呈遞減趨勢。0～30 d，TS從初始逐漸降低23%；在30～60 d內(nèi)TS降低9.8%；而60～120 d內(nèi)，TS變動幅度較小，僅減少了10.5%，120 d結(jié)束后，對照組的TS最終降低45.5%。斷裂伸長率在120 d內(nèi)呈遞增趨勢，最終E增加至6.6%，增幅162.5%。其中0～30 d中E大幅增長91.7%，30～60 d內(nèi)E基本保持不變，在60～90 d增加45.7%，在90～120 d內(nèi)也幾乎保持不變。

圖2 復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度隨貯藏時間的變化Fig.2 Effect of tensile strength in KGM/SPI/CAP composite film during storage

圖3 復(fù)合膜斷裂伸長率貯藏時間的變化Fig.3 Effect of elongation at break in KGM/SPI/CAP composite film during storage

HHP組在0～30 d內(nèi)TS僅降低4.1%，變化微小，是對照組的0.18倍；在30～60 d內(nèi)TS呈9.6%的小幅突降，與對照組變幅幾乎相同，而60～120 d內(nèi)TS幾乎未發(fā)生變化，120 d內(nèi)TS總體降低16.3%，是對照組的0.36倍。其E在實(shí)驗期120 d內(nèi)總體變動幅度較小，變幅僅有7%，是對照組的0.04倍。在0～30 d內(nèi)，HHP組E在0.1%范圍內(nèi)呈現(xiàn)微弱的先增加后降低的趨勢，但最終30 d時E與0 d時數(shù)值相等，變化率為0；30～60 d增長較快，增幅13%，60～120 d內(nèi)E幾乎未發(fā)生變化，最終E維持在6.9%，但不管是變化范圍還是變動速度都遠(yuǎn)低于對照組。2組平行試驗中，TS隨貯藏時間延長總體趨勢相同，這可能是因為在0～60 d內(nèi)，由于復(fù)合膜成形時間短，膜致密均一，不易受到外界環(huán)境因素的影響，而在60 d以后環(huán)境因素的影響逐漸加重，在不同程度上損壞了本有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度，導(dǎo)致復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度降低；而斷裂伸長率總體呈現(xiàn)增長趨勢，原因可能是復(fù)合膜內(nèi)材料分子中的羥基和親水基團(tuán)可以吸收周圍環(huán)境中的水分子，導(dǎo)致膜的延展性增強(qiáng)，貯藏后期E的小范圍突躍則是由于分子不斷分解導(dǎo)致其間距增大，柔性增強(qiáng)[25-26]。而HHP組的力學(xué)性質(zhì)整體優(yōu)于對照組，因為HHP處理可以減少CAP分子的聚集，使其更加分散在成膜液中，在HHP處理下促使CAP分子與聚合物基質(zhì)間可能會形成更致密的分子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)膜的機(jī)械強(qiáng)度[26-27]。對照組未經(jīng)高壓處理，膜的表面更加不均勻，并且KGM和SPI中的多糖和蛋白物質(zhì)易隨著時間的延長發(fā)生分解，其原本的結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的損壞，最終造成膜力學(xué)性能的降低。

2.3 KGM/SPI/CAP復(fù)合膜貯藏的親水性分析

復(fù)合膜的親水性是決定包裝材料與食物適配性的重要因素，而復(fù)合膜的水接觸角、吸濕率能夠在一定程度上反映出復(fù)合膜的親水性[24]。如圖4和圖5所示，對照組的水接觸角隨時間延長逐漸減小，在整個實(shí)驗周期內(nèi)下降32.9%。在前30 d內(nèi)，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，最終降低了5.3%。30～60 d與60～120 d的整體趨勢為勻速遞減，兩個階段分別降低10%和18.5%。這個變化趨勢表明,復(fù)合膜的親水性越來越強(qiáng)，疏水性降低，導(dǎo)致水分子越來越容易進(jìn)入膜內(nèi)。這也是由于KGM本身吸水性較好，分子內(nèi)帶有的親水基團(tuán)可以與水分子形成分子間氫鍵造成的[28]。吸濕率在120 d內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。在0～30 d內(nèi)，吸濕率呈先減小后增加的趨勢，最終在30 d時增加率達(dá)9.1%。30～60 d中，吸濕率增幅14.3%；60～120 d，對照組吸濕率變化逐漸減緩，最終吸濕率比較最初增長了36.6%。其中的原因可能是由于KGM的親水性和其膜內(nèi)分子間的孔隙大，水分子更多的附著在復(fù)合膜的孔隙內(nèi)和分子間，導(dǎo)致復(fù)合膜的吸水性增強(qiáng)，吸濕率增加[29]。

圖4 復(fù)合膜水接觸角隨貯藏時間的變化Fig.4 Effect of water contact angle in KGM/SPI/CAP composite film during storage

圖5 復(fù)合膜吸濕率隨貯藏時間的變化Fig.5 Effect of moisture absorption rate in KGM/SPI/CAP composite film during storage

HHP組的水接觸角保持基本不變，120 d內(nèi)維持在105°左右,吸濕率在120 d內(nèi)也幾乎保持在30%左右不變，貯藏性變動遠(yuǎn)小于對照組。除此之外，對照組的水接觸角均位于90°以下，HHP處理組均位于90°以上，這表明對照組復(fù)合膜為親水屬性，液體容易潤濕復(fù)合膜并有幾率透過膜進(jìn)入膜包裹的物體，而HHP組為疏水屬性，液體不易潤濕內(nèi)部物體，只在膜表面移動，防止水分滲入。同時，HHP作用可能會使得復(fù)合膜結(jié)構(gòu)更加均一緊致，分子間孔隙較小，能夠有效阻止水分子進(jìn)入膜內(nèi)[22]。

2.4 KGM/SPI/CAP復(fù)合膜貯藏的阻隔性能分析

復(fù)合膜的阻隔性能也是衡量食品包裝膜的一項重要指標(biāo)，主要包括透濕系數(shù)和透氧系數(shù)兩部分，而最終也由此來確定該復(fù)合膜適用食品的含水量、保質(zhì)期以及腐敗性等[30]。如圖6和圖7所示，對照組的透濕系數(shù)在0～120 d內(nèi)增長29%。在0～30 d內(nèi)保持勻速增長，增幅7.5%；30～60 d內(nèi)僅增長3.5%，60～120 d內(nèi)增幅增大至15.2%。透濕系數(shù)的升高是由于膜基質(zhì)中相互作用力不斷衰弱，變化程度不高則是因為蛋白-多糖體系在發(fā)生相互作用時，部分多糖的存在有助于促進(jìn)蛋白質(zhì)形成新的穩(wěn)定構(gòu)象，膜的空間結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度更佳[31]。對照組的透氧系數(shù)隨著時間的延長明顯增長，在0～30 d內(nèi)以緩慢恒定的速度增長8.3%后，在30～60 d內(nèi)增長9.2%，60～120 d 內(nèi)以較大速度增長26.8%，最終120 d增長46.7%。透氧系數(shù)隨貯藏時間延長而增加的原因是由于原料KGM和SPI自身隨著時間的延長而降解，二者的作用力減弱，影響復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)[32]。

圖6 復(fù)合膜透濕系數(shù)隨貯藏時間的變化Fig.6 Effect of water vapor permeability in KGM/SPI/CAP composite film during storage

圖7 復(fù)合膜透氧系數(shù)隨貯藏時間的變化Fig.7 Effect of oxygen permeability in KGM/SPI/CAP composite film during storage

在HHP組中，透濕系數(shù)的總體變化階段與對照組相似，在0～120 d內(nèi)呈現(xiàn)一次函數(shù)性增長，僅增加15%，是對照組的0.5倍，隔水屬性較好。HHP組透氧系數(shù)整體上呈現(xiàn)階段性增長趨勢。在0～30 d內(nèi)先增加后減小，數(shù)值0 d與30 d相等；30～60 d，發(fā)生突躍，透氧系數(shù)增加25%；60～120 d內(nèi)，變化趨勢與0～30 d類似，最終120 d時與60 d數(shù)值相同，較初始增長20%，是對照組的0.43倍。2組數(shù)據(jù)隨貯藏時間的延長均呈增加趨勢，這是因為膜的組分多糖和蛋白自身不斷降解，使得其分子間孔隙增大，導(dǎo)致水分子更易透過復(fù)合膜。但HHP組的各項數(shù)據(jù)均優(yōu)于對照組，結(jié)合其他人的研究結(jié)果也可以推測，這可能是因為對照組的成膜條件使得膜的分子間孔隙較大，KGM和SPI相互作用力較弱，因此氧氣分子更容易穿過膜間分子移動到膜內(nèi)物體[10,33]。

3 結(jié)論與討論

在120 d實(shí)驗期內(nèi)，由于復(fù)合膜成膜基質(zhì)的材料緣故，對照組的力學(xué)性能和阻隔性能均降低，親水性和CAP分子遷移量增加。當(dāng)使用HHP處理對復(fù)合膜進(jìn)行改性后，復(fù)合膜的貯藏性得到了明顯的提升，機(jī)械強(qiáng)度增大，阻隔性能增強(qiáng)，復(fù)合膜性質(zhì)由親水性變?yōu)槭杷?。HHP處理增強(qiáng)了KGM和SPI之間的分子作用，在一定程度上改善了直接合成復(fù)合膜的缺點(diǎn)，提高了復(fù)合膜的辣味穩(wěn)定性，有助于辣味膜在延長食品保質(zhì)期方面的應(yīng)用。因此，HHP處理能夠提高可食用復(fù)合膜在貯藏時的各項性能。

基于目前的研究，無法避免由于原料自身的降解和環(huán)境因素所造成的復(fù)合膜質(zhì)量的下降，但使用一些改性方法，如HHP等，可以在很大程度上改善KGM/SPI/CAP復(fù)合膜的各項貯藏性質(zhì)，對于保藏食物有著更大的優(yōu)勢和更加廣闊的發(fā)展前景。本研究仍存在著不足之處，如未探究的熱穩(wěn)定性和溶解度等指標(biāo)，仍有待進(jìn)一步的探索。